2. Влияние температуры на диэлектрическую проницаемость полярных диэлектриков
Диэлектрическая проницаемость полярных веществ сильно зависит от их температуры и частоты внешнего электрического поля. При низких температурах, когда подвижность молекул и радикалов, входящих в состав молекул, мала, поворот диполей на большие углы невозможен, и в материале наблюдается поляризация электронного упругого смещения и дипольно-упругая поляризация. В связи с этим диэлектрическая проницаемость полярных материалов при низких температурах мала (=2-2,5). С возрастанием температуры подвижность диполей увеличивается, и облегчается их ориентация под действием внешнего поля. Следовательно, диэлектрическая проницаемость растет. Однако при дальнейшем росте температуры кинетическая энергия теплового движения диполей возрастает настолько, что броуновское движение диполей разрушает ориентацию, задаваемую внешним полем. Поэтому диэлектрическая проницаемость снижается (см. рис. 31). Таким образом, зависимость =f(t) для веществ с дипольно-релаксационной поляризацией имеет характерную форму «холма».
Рис.31. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры и от частоты электрического поля (f1f2).
Так как ориентация диполей по направлению поля осуществляется в процессе теплового движения, то наступление состояния поляризации требует времени. С увеличением вязкости возрастает время, необходимое для наступления поляризации. При увеличении частоты электрического поля время действия поля на диполи за половину периода уменьшается, а следовательно, уменьшается величина поляризации и снижается величина диэлектрической проницаемости. С увеличением частоты максимум диэлектрической проницаемости не только снижается, но и смещается в сторону высоких температур, то есть меньших вязкостей диэлектрика.
Билет №22
1. Влияние энергии межатомного взаимодействия на свойства материалов.
Любой материал представляет собой продукт взаимодействия огромного количества атомов, и свойства материала зависят от характера взаимодействия этих атомов. Зная характер взаимодействия атомов, можно прогнозировать свойства материалов. Поскольку взаимодействие множества атомов анализировать достаточно сложно, вначале для простоты рассмотрим взаимодействие двух атомов.
Между двумя атомами действует сила притяжения, она убывает обратно пропорционально квадрату расстояния между атомами. Помимо силы притяжения, между атомами действует и сила взаимного отталкивания, которая обратно пропорциональна расстоянию в степени n, где n больше 2.
В том случае, когда взаимодействует множество атомов, смещение любого из них приводит к росту энергии системы, Поэтому потенциальную кривую можно представить в виде периодической функции (рис. 2).
Рис. 2. Зависимость энергии потенц-го взаимодейс-твия (Wp) от расстояния между атомами (x) для случая взаимодействия множества атомов.
При минимуме энергии системы расстояния между атомами одинаковы и равны r0. Вдоль любого направления расстояния будут равны r0, хотя эти расстояния по разным направлениям будут разными. Расстояние между атомами вдоль какого-либо направления принято обозначать а.
Для переброса атома из одного равновесного положения в другое требуется повышение энергии. Поэтому в том случае, когда энергия системы минимальна или незначительно отличается от минимальной, атомы не могут перемещаться из одного положения в другое, и мы имеем дело с твердым телом. При значительном повышении энергии системы атомы активно колеблются, обмениваются энергией — и в результате могут переходить из одного положения в другое. В этом случае мы имеем дело с жидким телом. Дальнейший рост энергии системы приводит к выходу атомов из потенциальной ямы, они перестают взаимодействовать друг с другом, могут занимать различные положения – и мы имеем дело с газом.
11.Влияние температуры на диэлектрическую проницаемость материалов с различными механизмами поляризации.
Поляризация упругого электронного смещения . Этот вид поляризации связан со смещением электронных оболочек атомов относительно ядер и имеет место во всех диэлектриках, за исключением абсолютного вакуума.
Рис. 30. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для ионных кристаллов.
При возрастании температуры объем диэлектрика возрастает, и диэлектрическая проницаемость, в соответствии с выражением (2.3), уменьшается (рис. 28). Особенно заметно уменьшение e при плавлении и испарении диэлектриков, когда их объем существенно возрастает. (2.3)
Рис. 28. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для неполярных диэлектриков .
Поляризация упругого ионного смещения вызвана упругим смешением ионов из равновесных положений под действием внешнего электрического поля.
Повышение температуры увеличивает межатомные расстояния, вследствие чего связь между отдельными ионами ослабляется, и облегчается взаимное смещение ионов под действием внешнего электрического поля. Поэтому при повышении температуры диэлектрическая проницаемость ионных кристаллов возрастает (рис. 30).
Дипольно-релаксационная поляризация наблюдается во многих твердых и жидких диэлектриках с полярными группами: компаунды, бакелит, аминопласты и др. При дипольно-релаксационной поляризации происходит смещение полярных молекул или смещение радикалов, входящих в состав крупных молекул.
Рис.31. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры и от частоты электрического поля (f1>f2).
Диэлектрическая проницаемость полярных веществ сильно зависит от их температуры и частоты внешнего электрического поля. При низких температурах, когда подвижность молекул и радикалов, входящих в состав молекул, мала, поворот диполей на большие углы невозможен, и в материале наблюдается поляризация электронного упругого смещения и дипольно-упругая поляризация. В связи с этим диэлектрическая проницаемость полярных материалов при низких температурах мала (e=2-2,5). С возрастанием температуры подвижность диполей увеличивается, и облегчается их ориентация под действием внешнего поля. Следовательно, диэлектрическая проницаемость растет. При дальнейшем росте температуры кинетическая энергия теплового движения диполей возрастает настолько, что броуновское движение диполей разрушает ориентацию, задаваемую внешним полем. Диэлектрическая проницаемость снижается (см. рис. 31).
17. Влияние частоты электрического поля на тангенс угла потерь в полярных и не полярных диэлектриков.
Влияние частоты электрического поля на тангенс угла диэлектрических потерь для полярных диэлектриков
При нахождении диэлектрика в электрическом поле в нем развиваются два процесса: электропроводность и поляризация. Оба процесса сопровождаются потерями энергии электрического поля. Потери на электропроводность при росте частоты снижаются. Однако на определенных частотах резко возрастает резонансная поляризация, поэтому коэффициент диэлектрических потерь Кd на этих частотах резко возрастает. На рис.39 показана зависимость коэффициента диэлектрических потерь от частоты электрического поля для диэлектрика сложного состава. На определенных частотах начинается резонансная поляризация полярных молекул различных компонентов диэлектрика, а следовательно, возрастают потери.
Наличие максимумов коэффициента диэлектрических потерь на определенных частотах ограничивает применение полярных диэлектриков в высоко частотных полях. Так, в качестве изоляции в высокочастотных радиокабелях типа РК-75 используется полиэтилен с неполярными молекулами. В силовых проводах типа АППВ в качестве материала изоляции используется полихлорвинил с полярными молекулами. Если в радиокабеле вместо полиэтилена использовать полихлорвинил, то при рабочих частотах – десятки и сотни мегагерц – потери будут настолько велики, что сигнал по кабелю проходить не будет. Напротив, в силовом кабеле недопустимо использовать в качестве изоляции полиэтилен, поскольку у материалов с неполярными молекулами прочность существенно ниже, чем у материалов с полярными молекулами.
Влияние частоты электрического поля на тангенс угла потерь неполярных диэлектриков.
С увеличением частоты электрического поля длина пробега ионов за время полупериода колебаний уменьшается, а следовательно, уменьшается запасенная ими кинетическая энергия. Кроме того, снижается вероятность столкновения иона со структурными единицами материала. В силу этих причин при росте частоты электрического поля диэлектрические потери снижаются (рис. 36).
16. Влияние температуры и частоты на диэлектрическую проницаемость материалов с различными видами поляризации.
Диэлектрическая проницаемость полярных веществ сильно зависит от их температуры и частоты внешнего электрического поля. При низких температурах, когда подвижность молекул и радикалов, входящих в состав молекул, мала, поворот диполей на большие углы невозможен, и в материале наблюдается поляризация электронного упругого смещения и дипольно-упругая поляризация. В связи с этим диэлектрическая проницаемость полярных материалов при низких температурах мала (e=2-2,5). С возрастанием температуры подвижность диполей увеличивается, и облегчается их ориентация под действием внешнего поля. Следовательно, диэлектрическая проницаемость растет. Однако при дальнейшем росте температуры кинетическая энергия теплового движения диполей возрастает настолько, что броуновское движение диполей разрушает ориентацию, задаваемую внешним полем. Поэтому диэлектрическая проницаемость снижается (см. рис. 31). Таким образом, зависимость e=f(t) для веществ с дипольно-релаксационной поляризацией имеет характерную форму «холма».
Рис.31. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры и от частоты электрического поля (f1>f2).
Так как ориентация диполей по направлению поля осуществляется в процессе теплового движения, то наступление состояния поляризации требует времени. С увеличением вязкости возрастает время, необходимое для наступления поляризации. При увеличении частоты электрического поля время действия поля на диполи за половину периода уменьшается, а следовательно, уменьшается величина поляризации и снижается величина диэлектрической проницаемости. С увеличением частоты максимум диэлектрической проницаемости не только снижается, но и смещается в сторону высоких температур, то есть меньших вязкостей диэлектрика.
При возрастании температуры объем диэлектрика возрастает, и диэлектрическая проницаемость, в соответствии с выражением (2.3), уменьшается (рис. 28). Особенно заметно уменьшение e при плавлении и испарении диэлектриков, когда их объем существенно возрастает.
В неполярных диэлектриках диэлектрическая проницаемость практически не зависит от частоты внешнего поля. Это связано с тем, что частота вращения электронов на орбитах велика ~ 10 15 -10 16 Гц. Поляризация упругого электронного смещения
Повышение температуры увеличивает межатомные расстояния, вследствие чего связь между отдельными ионами ослабляется, и облегчается взаимное смещение ионов под действием внешнего электрического поля. Поэтому при повышении температуры диэлектрическая проницаемость ионных кристаллов возрастает (рис. 30). Поляризация упругого ионного смещения Время установления этого механизма поляризации сравнимо с периодом оптических колебаний ионов в кристаллической решетки и составляет 10 -12 -10 -13 с. Поэтому до частот 10 12 — 10 13 Гц диэлектрическая проницаемость веществ с ионной связью не зависит от частоты внешнего поля.
.Влияние температуры на диэлектрическую проницаемость материалов с различными механизмами поляризации. Поляризация упругого электронного смещения . Этот вид поляризации связан со смещением электронных оболочек атомов относительно ядер и имеет место во всех диэлектриках, за исключением абсолютного вакуума. 
Рис. 30. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для ионных кристаллов. При возрастании температуры объем диэлектрика возрастает, и диэлектрическая проницаемость, в соответствии с выражением (2.3), уменьшается (рис. 28). Особенно заметно уменьшение e при плавлении и испарении диэлектриков, когда их объем существенно возрастает. 
(2.3) 
Рис. 28. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для неполярных диэлектриков . Поляризация упругого ионного смещения вызвана упругим смешением ионов из равновесных положений под действием внешнего электрического поля. Повышение температуры увеличивает межатомные расстояния, вследствие чего связь между отдельными ионами ослабляется, и облегчается взаимное смещение ионов под действием внешнего электрического поля. Поэтому при повышении температуры диэлектрическая проницаемость ионных кристаллов возрастает (рис. 30). Дипольно-релаксационная поляризация наблюдается во многих твердых и жидких диэлектриках с полярными группами: компаунды, бакелит, аминопласты и др. При дипольно-релаксационной поляризации происходит смещение полярных молекул или смещение радикалов, входящих в состав крупных молекул. 
Рис.31. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры и от частоты электрического поля (f1>f2). Диэлектрическая проницаемость полярных веществ сильно зависит от их температуры и частоты внешнего электрического поля. При низких температурах, когда подвижность молекул и радикалов, входящих в состав молекул, мала, поворот диполей на большие углы невозможен, и в материале наблюдается поляризация электронного упругого смещения и дипольно-упругая поляризация. В связи с этим диэлектрическая проницаемость полярных материалов при низких температурах мала (e=2-2,5). С возрастанием температуры подвижность диполей увеличивается, и облегчается их ориентация под действием внешнего поля. Следовательно, диэлектрическая проницаемость растет. При дальнейшем росте температуры кинетическая энергия теплового движения диполей возрастает настолько, что броуновское движение диполей разрушает ориентацию, задаваемую внешним полем. Диэлектрическая проницаемость снижается (см. рис. 31). 17. Влияние частоты электрического поля на тангенс угла потерь в полярных и не полярных диэлектриков.
При нахождении диэлектрика в электрическом поле в нем развиваются два процесса: электропроводность и поляризация. Оба процесса сопровождаются потерями энергии электрического поля. Потери на электропроводность при росте частоты снижаются. Однако на определенных частотах резко возрастает резонансная поляризация, поэтому коэффициент диэлектрических потерь Кd на этих частотах резко возрастает. На рис.39 показана зависимость коэффициента диэлектрических потерь от частоты электрического поля для диэлектрика сложного состава. На определенных частотах начинается резонансная поляризация полярных молекул различных компонентов диэлектрика, а следовательно, возрастают потери. 
Наличие максимумов коэффициента диэлектрических потерь на определенных частотах ограничивает применение полярных диэлектриков в высоко частотных полях. Так, в качестве изоляции в высокочастотных радиокабелях типа РК-75 используется полиэтилен с неполярными молекулами. В силовых проводах типа АППВ в качестве материала изоляции используется полихлорвинил с полярными молекулами. Если в радиокабеле вместо полиэтилена использовать полихлорвинил, то при рабочих частотах – десятки и сотни мегагерц – потери будут настолько велики, что сигнал по кабелю проходить не будет. Напротив, в силовом кабеле недопустимо использовать в качестве изоляции полиэтилен, поскольку у материалов с неполярными молекулами прочность существенно ниже, чем у материалов с полярными молекулами. Влияние частоты электрического поля на тангенс угла потерь неполярных диэлектриков. 
С увеличением частоты электрического поля длина пробега ионов за время полупериода колебаний уменьшается, а следовательно, уменьшается запасенная ими кинетическая энергия. Кроме того, снижается вероятность столкновения иона со структурными единицами материала. В силу этих причин при росте частоты электрического поля диэлектрические потери снижаются (рис. 36). 
Диэлектрическая проницаемость
С увеличением температуры увеличивается подвижность молекул диэлектрика, тем самым облегчается процесс поляризации и ε увеличивается, достигая максимального при высокой температуре. Но в дальнейшем ε уменьшается, так как увеличение температуры приводит к увеличению хаотического теплового движения частиц, что мешает ориентации диполей, степень процесса поляризации ослабевает и ε уменьшается (рисунок 4.5).
Рисунок 4.5 – График зависимости диэлектрической проницаемости от температуры для полярных диэлектриков.
4.4.2 Зависимость ε от температуры для неполярных диэлектриков
Для неполярных диэлектриков с увеличением температуры в диэлектрике происходит два параллельных процесса – диэлектрик расширяется, уменьшая число частиц в единице объема и за счет увеличения тепловой энергии уменьшаются силы связи между частицами; первый процесс уменьшает ε, второй увеличивает ε (рисунок 4.6).
Равновесие этих процессов приводит к постоянству ε от температуры.
4.4.3 Зависимость ε от влажности
Для всех диэлектриков с увеличением влажности наблюдается увеличение ε. Особенно чувствительны пористые диэлектрики (резина, каучук)
Рисунок 4.6 – График зависимости диэлектрической проницаемости неполярных диэлектриков от температуры:
1 – полистирол; 2 – парафин.
4.4.4 Зависимость ε от частоты f
У неполярных диэлектриков ε не изменяется от f, так как поляризация происходит мгновенно, примерно 10 -13 – 10 -15 с (рисунок 4.7).
Рисунок 4.7 – График зависимости диэлектрической проницаемости неполярных полимеров от частоты:
1 – полистирол; 2 – политетрафторэтилен.
В полярных диэлектриках – где наблюдается дипольно-релаксационная поляризация, ε зависит от f T4 > T3 > T2 > T1 (рисунок 4.8).
Рисунок 4.8 – График зависимости диэлектрической проницаемости полярного диэлектрика политрифторхлорэтилена от частоты при различных температурах.
При увеличении f ε сначала остается неизменной, но, начиная с некоторой критической частоты, ε начинает снижаться, приближаясь к значениям ε для неполярных диэлектриков. Это снижение ε происходит из-за того, что частота прикладываемого поля становится большой и поляризация не успевает установиться за полупериод напряжения, т.е. диполи не успевают соориентироваться под действием такого поля.
fКР = 1 ∕ (2π ∙ τ0) = kT ∕ (8π ∙ η ∙ r 3 ), (4.6)
где η – динамическая вязкость диэлектрика;
r – радиус молекулы (шар условно).
Дата добавления: 2018-11-26 ; просмотров: 781 ;